Il trampolino di lancio per l’ossigeno sulla Terra

Per la vita della maggior parte degli organismi terrestri, è necessaria la presenza dell’ossigeno sulla Terra. Ma l’atmosfera del nostro pianeta non ha da sempre contenuto questo elemento, fondamentale per mantenere la vita quale la conosciamo noi, e uno dei più grandi enigmi della Scienza è quello di stabilire quando e come sia iniziato il processo della fotosintesi, il processo responsabile della produzione di ossigeno sulla Terra, sfruttando la scissione delle molecole d’acqua.

Ora un team guidato da geobiologi del California Institute of Technology (Caltech) ha scoperto le prove di un fotosistema precursore che richiede manganese per catturare i cianobatteri, il primo gruppo di organismi in grado di rilasciare ossigeno nell’ambiente attraverso la fotosintesi.

I risultati della ricerca, anticipati a Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), supportano fortemente l’ipotesi che l’ossidazione del manganese che, nonostante il termine, è una reazione chimica che non richiede ossigeno, è servita da trampolino di lancio per lo sviluppo di ossidanti dell’acqua, identificati nei cianobatteri.

“L’ossidazione dell’acqua o fotosintesi dell’acqua è stata avviata dai cianobatteri circa 2,4 miliardi di anni fa e poi ripresa da altri organismi in tempi successivi” spiega Woodward Fischer, professore di geobiologia presso il Caltech e co-autore dello studio. “Le alghe hanno preso in prestito il processo della fotosintesi dai cianobatteri, e le piante sono solo un gruppo di alghe che utilizza la fotosintesi sul terreno fuori dall’acqua; per cui riteniamo che questo risultato ci consenta di osservare l’inizio del meccanismo molecolare che avrebbe originato l’ossigeno”.

La fotosintesi è il processo mediante il quale l’energia solare viene utilizzata dalle piante e da altri organismi per scindere l’acqua e le molecole di anidride carbonica, formando carboidrati e ossigeno.

Il manganese è richiesto per avere la scissione dell’acqua, così quando gli scienziati hanno cominciato a chiedersi quali passi evolutivi abbiano condotto ad una atmosfera ossigenata sulla Terra, hanno cominciato a cercare le prove della fotosintesi in una ossidazione del manganese che fosse precedente all’avvento dei cianobatteri.

Poiché l’ossidazione comporta soltanto trasferimento di elettroni che vanno ad aumentare la carica di un atomo – e questo può essere realizzato mediante la luce oppure la molecola di ossigeno, O2 – questa reazione potrebbe essere avvenuta anche prima della nascita dell’ossigeno sul nostro pianeta.

“Il manganese gioca un ruolo essenziale nella moderna scissione dell’acqua come catalizzatore necessario del processo, così la fotosintesi di ossidazione del manganese ha senso come un potenziale fotosistema di transizione”, dice Jena Johnson, un ricercatore del laboratorio di Fischer al Caltech e autore principale dello studio.

Per verificare l’ipotesi che la fotosintesi basata sul manganese si sia verificata prima della comparsa dei cianobatteri, i ricercatori hanno esaminato carotaggi di rocce sedimentarie marine campionate in Sud Africa, antiche di 2,415 miliardi di anni; rocce ad alto contenuto di manganese.

Il manganese è solubile in acqua di mare. Se infatti non sono presenti forti ossidanti che possano accettare elettroni dal manganese, questo rimarrà nell’acqua, spiega Fischer. Ma se il manganese viene invece ossidato o perde elettroni, allora precipita, andando a compattarsi con i sedimenti del fondo marino.

“Proprio l’osservazione di elevate concentrazioni di manganese – 16 per cento in alcuni campioni di roccia – ha fornito una decisa indicazione sulla avvenuta ossidazione del manganese, ma questo ha richiesto una conferma”.

Per dimostrare che il manganese era un minerale costituente delle rocce del Sud Africa e non era stato depositato da fluidi idrotermali o per altri fenomeni, Johnson e colleghi hanno sviluppato e impiegato tecniche che hanno consentito loro di valutare l’abbondanza e lo stato di ossidazione dei minerali contenenti manganese alla piccolissima scala di due micron.

“Tutte queste rocce sono difficoltose da studiare sulla scala dei micron”, afferma Fischer. “ E tuttavia queste rocce interessano la stratigrafia per centinaia di metri e hanno una estensione di centinaia di chilometri quadrati di bacino oceanico. Quindi è necessario lavorare su diverse scale – non solo quelle molto dettagliate, ma su tutto il deposito, per capire appieno l’azione degli antichi processi ambientali”.

Utilizzando questi approcci multi-scalari, Johnson e colleghi hanno dimostrato che il manganese  era un componente originario delle rocce ed era stato depositato per primo nei sedimenti come ossido di manganese.

“E’ davvero incredibile essere in grado di utilizzare tecniche a raggi X per ricostruire i trascorsi della roccia in esame e utilizzare le osservazioni chimiche su microscala per far luce su alcuni processi e meccanismi fondamentali che si sono verificati  miliardi di anni fa”, commenta lo scienziato Samuel Webb, co-autore dello SLAC, National Accelerator Laboratory di Stanford, dove hanno avuto luogo molti esperimenti della ricerca.

“Domande riguardanti l’evoluzione del percorso fotosintetico e il conseguente aumento di ossigeno nell’atmosfera sono fondamentali per comprendere non solo la storia del nostro pianeta, ma anche le basi di come la biologia abbia perfezionato il processo di fotosintesi”.

Una volta che il team ha confermato che il manganese è stato depositato come ossido durante la formazione della roccia, è stato anche controllato se questi ossidi di manganese si fossero costituiti prima della fotosintesi dell’acqua oppure successivamente, come risultato di reazioni con l’ossigeno.

Sono state impiegate due diverse tecniche per verificare se ci fosse stato ossigeno, ma è risultato che l’ossigeno era assente, a dimostrazione che in quel momento della formazione la scissione fotosintetica dell’acqua non era ancora iniziata. Il manganese nei depositi era stato infatti ossidato e depositato prima della comparsa dei cianobatteri coinvolti nella scissione dell’acqua. Questo implica, dicono i ricercatori, che la fotosintesi manganese-ossidanti è stata il trampolino di lancio per la produzione di ossigeno, cui è seguita la fotosintesi per la scissione dell’acqua.

“Anche se sappiamo in cosa consiste la scissione dell’acqua, tuttavia ancora non sappiamo come funziona esattamente”, afferma Fischer. “C’è ancora molta strada da fare per scoprire come funziona la catalisi, ma comunque sapere da dove proviene questo meccanismo può aprire nuove prospettive alla sua funzione, una comprensione che potrebbe contribuire a cercare tecnologie destinate alla produzione di energia dalla fotosintesi artificiale”.

Per il prossimo futuro, Johnson pensa di lavorare con gli altri membri del team nel laboratorio di Fischer per tentare di cambiare la rotta dei cianobatteri, per farli “tornare indietro” ed eseguire la fotosintesi manganese-ossidanti.

Il team ha in programma anche di indagare su una serie di rocce dell’Autralia occidentale che sono simili, per età, ai campioni utilizzati in questo studio e potrebbero contenere letti di manganese.

Se i risultati dello studio in corso sono una indicazione della fotosintesi manganese-ossidanti, dicono i ricercatori, dovremmo trovare la prova degli stessi processi in altre parti del mondo.

“L’ossigeno fa da sfondo a questa storia, ma in realtà questo è il racconto dell’evoluzione di questo particolare metabolismo che è accaduto una volta, una singolarità evolutiva che ha trasformato il pianeta”, conclude Fischer.

Leonardo Debbia
6 luglio 2013